新时期新材料应用的关键性

新时期新材料应用的关键性

朱勇

（泰科电子（上海）有限公司201615）

摘要：新材料产业已经渗透到了国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，是高新技术产业发展的基础，对国民经济发展作用重大。本文阐述了新材料关键技术和新材料技术选择原则，对新材料应用领域进行了介绍。以汽车领域的新材料创新为切入点，研究了汽车领域车身新材料和复合材料开发的现状、趋势和问题。研究结果表明，关键新材料的创新突破将进一步推动产业升级。

关键字：新材料；应用；汽车领域

1引言

工业制造，材料先行。作为我国七大战略性新兴产业和“中国制造2025”重点发展的十大领域之一，新材料产业被认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的高技术产业。新材料的创新发展更涉及当代科技突破、经济飞跃的方方面面。中国也专门制定了《新材料产业发展指南》、《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等指引文件，力争把中国高技术资源优势转换成材料优势和产业优势，因此对新材料的研究具有重要的现实意义。

2新材料关键技术概念

2.1新材料关键技术

新材料，也叫先进材料，是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料技术是通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类；按材料的使用性能性能分，有结构材料和功能材料，其中结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。

2.2关键材料技术选择原则

关键新材料技术选择应遵循战略性原则、原创性原则、前瞻性原则和可持续性发展原则。战略性原则可以提高我国综合国力，增强我国战略性产业的国际竞争力。原创性原则可以实现自主知识产权的重大技术创新。前瞻性原则要求尊重科学和技术的发展规律，与国际先进技术接轨，实现可持续发展。

2.3新材料应用领域介绍

新材料产业已经渗透到了国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，是高新技术产业发展的基础，对国民经济发展作用重大。新材料产业按照应用领域可以分为信息材料、能源材料、生物材料、汽车材料、纳米材料与技术、超导材料与技术、稀土材料、钢铁材料、新型有色金属合金材料、新型建筑材料、新型化工材料、生态环境材料、军工新材料、碳材料、膜材料、先进陶瓷材料、先进复合材料等。

3新材料在汽车领域的应用实例

3.1汽车领域新材料应用范围

在汽车制造领域，新材料是通过改进相关零部件的制造材料，来提升整车的安全性、舒适性、豪华和美观程度以及降低燃油消耗。目前汽车厂商改进制造材料的驱动力或者目标主要集中在两个领域：一是改进内饰、座椅面料以及车身覆盖件的材料以提升档次和豪华感；二是改进车身结构材料，以进一步提升安全性和经济性。这是由市场规律决定的，成本在其中占了很重要的因素。作为主要新材料的高强度钢、合金以及多种复合材料，其成本均比普通碳钢高出数倍至数十倍。因此，只有大幅度降低这些新材料的制造成本，才可能使诸多新材料进入批量生产。

3.2车身新材料开发

车身新材料开发方向，主要集中在金属材料和复合材料两个领域，轻量化设计是大趋势。很多中高级轿车，都已经开始了这方面的尝试，有的汽车厂商通过大量使用高强度钢和超高强度钢，一方面提升了整车结构的强度和安全性，另一方面也减轻了自重降低了油耗。

零部件方面，合金材料也逐渐提高了应用的程度，比如铝合金。铝的密度为2.7g／cm3，约为钢的1／3。它作为汽车材料有许多优点，如在满足相同机械性能的条件下，铝比钢减重60％，且易于回收。在碰撞中，铝可以比钢吸收更多的能量，降低事故的损伤程度。此外传统的钢板成形压机都可以用于成形铝，只是工艺设计中应注意补偿铝板中较大的回弹量即可，因而铝被广泛用于汽车(尤其是高级轿车和跑车)。

随着工艺的成熟，铝及铝合金作为一种汽车轻量化材料，会越来越多地应用于各种车辆上。据世界铝业协会报告指出，汽车重量每减轻10％，油耗可减低8％～10％，每使用1kg铝，可使轿车寿命期内减少20kg尾气排放。采用高强度钢、低密度的轻质材料或者碳纤维，是汽车减重的最重要途径。1996年奥迪公司生产的全铝A8轿车采用铝合金挤压车架，重量降低了35％，抗扭强度增加了50％，在降低油耗方面取得意想不到的效果。

3.3复合材料开发应用

根据国际标准化组织为复合材料下的定义，复合材料是由两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。车用复合材料种类较多，主要包括玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GMT）、长纤维增强热塑性复合材料（LFT）、天然纤维增强热塑性复合材料（NMT）和碳纤维增强复合材料等，广泛应用于座椅骨架、保险杠、仪表板、发动机罩、电池托架、脚踏板、地板、护板、车顶棚、行李托架、遮阳板、备用轮胎架等部件，具有强度高、耐久性好、可靠性高、价廉、可回收、可降解、可再生等优点。

纤维增强塑料复合材料（FRP），是一种纤维和塑料复合而成的材料。增强用的纤维为玻璃纤维、碳纤维和高强度合成纤维。母体树脂根据使用要求，可用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯等。汽车上常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。FRP作为汽车用材料具有材质请、设计灵活、便于一体成型、耐腐蚀、耐化学药品、耐冲击、着色方便等优点，但在这种材料用于大批量汽车生产时，与金属材料比较还存在着生产效率低、可靠性差、表面加工差、材料回收困难等方面的问题。

碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。二十世纪八十年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33％左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。

4汽车领域新材料关键技术发展趋势

新材料回收再利用将成为研究热点。研究汽车新材料的最终处置问题至关重要，从某种程度上讲，关系到它的生存与发展。目前，汽车上约占自重25％的材料无法回收再用，其中三分之一为各种塑料，三分之一为橡胶，还有三分之一为玻璃、纤维。鉴于这种情况，世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。现在可以通过三种途径进行回收：颗粒回收，重新碾磨；化学回收，高温分解；能源回收，将废弃物作为燃料。

成本进一步降低。制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格，作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强，其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低这些新材料的制造成本，才可能使诸多新材料进入批量生产。如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者，虽然它的重量减轻有限，但价格却能为用户接受。石墨合成材料尽管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽车工业上很难有所作为。

车身设计方法将发生重大变化。据欧洲汽车界人士预测，在今后十年中，轿车自身质量还将减轻20％，除了大量采用复合材料和轻质合金外，车身设计方法也将有新的突破。由于大量采用新型材料，传统的车身结构及其设计方法可能不再适用，取而代之的是一种基于生物学增长规律的形状优化设计法，这种设计方法即能减少零件质量，又延长了零件的使用寿命。此外，采用新的设计方法还能使车身零件数大幅度减少。

5总结

新材料是未来高新技术产业发展的基石和先导。本文阐述了新材料关键技术和新材料技术选择原则，对新材料应用领域进行了介绍。以汽车领域的新材料创新为切入点，研究了汽车领域车身新材料和复合材料开发的现状、趋势和问题。研究结果表明，关键新材料的创新突破将进一步推动产业升级，未来需要深化重点领域关键新材料技术创新突破的实现路径研究，先进基础材料、复合材料等不同类别关键新材料商业化应用模式创新以等方面的研究。

参考文献：

[1]王昶，宋慧玲等，关键新材料创新突破的研究回顾与展望[J]，资源科学，2019.2

[2]贺正楚，潘红玉等，新材料产业技术创新联盟模式研究[J]，财经理论与实践，2015（2）

[3]中国工信部、发改委、科技部等，新材料产业发展指南[EB/OL],2017,1

作者简介：姓名：朱勇，男，1985年4月13日，江西南昌，本科学士，材料性能测试，新材料与能源中级专业技术职务，泰科电子（上海）有限公司